2. 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410083;
3. 中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083;
4. 中国石油新疆油田分公司采油二厂, 新疆 克拉玛依 834000
2. Provincial Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazard Detection, Changsha, Hunan 410083, China;
3. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China;
4. The Second Oil Recovery Plant of Xinjiang Oilfield Company, CNPC, Karamay, Xinjiang 834000, China
雪峰山前陆盆地包括了湖南、湖北、重庆和贵州等区域,受加里东运动的影响,古华南洋在志留系中—晚期逐渐关闭。华夏板块与扬子板块在湖南—江西一线碰撞,受到整体构造挤压的影响,形成了志留纪上扬子台地大型的前陆盆地系统(图 1)。该系统可划分为湘中和湘南的前渊带、雪峰山隆起带以及湘西—四川盆地的隆后带[1-5]。由于前人均把湖南地区下古生代作为变质基底,因此,对该前陆盆地的研究非常薄弱,志留系扬子板块发育前陆盆地的结论也仅限于推测,并无实质性的证据。重庆地区位于该志留系盆地前陆盆地系统的隆后盆地。近年来,随着重庆地区志留系页岩气勘探的突破,有关志留系构造、沉积以及地球化学等方面的研究逐渐丰富[6-10],但研究主要集中在志留系隆后盆地,目前仍然缺少该前陆盆地整体沉积特征的认识。本次研究重点突出该前陆盆地前渊带、隆后盆地山前带沉积特征以及它们之间的区别,并探讨湘西北隆后盆地页岩气勘探的潜力。
华南构造由扬子陆块、华夏陆块和滇黔桂地块组成,其中,扬子陆块包括上扬子、中扬子和下扬子克拉通及相应的大陆边缘。晚奥陶世—早志留世发生了具有全球性质的加里东运动,同时,该时期也是中国华南早古生代构造—盆地演化最重要的转型期,是南方古地理轮廓发生巨大变革的时期[11-13]。中、晚奥陶世至志留纪,加里东运动第二幕导致华夏板块向北西方向强烈挤压,由于各块体在时空上的漂移速度、方向各异,形成上、中、下扬子前陆挠曲盆地,湖南湘西北—湘中一带即为前陆盆地(图 2)。伴随着华夏板块不断向扬子板块的挤压碰撞,在原克拉通的基底上形成雪峰山前陆隆起带[14-18]。雪峰山隆起的西北侧新形成了前陆盆地隆后盆地,而湘中地区前陆盆地前渊带。
湖南志留系主要分布在湘西北地区和湘中的安化、洞口一带,湘东北的临湘境内亦有小面积出露,而湘南地区则尚未见及。根据岩性、古生物特征、接触关系,可将湖南省内志留系划分为湘西北区和湘中区(图 2),前者属于扬子区,后者属江南区。
湘西北地区(前陆盆地隆后盆地)志留系露头良好,尤其是永顺—石门小区位于花垣—大庸—临澧一线以北发育完整的志留系剖面(图 3),可划分为龙马溪组和罗惹坪组,志留系底部与下伏奥陶系假整合接触。龙马溪组中、下部以富含笔石的页岩为特征,上部为碳质页岩夹数层薄层石英砂岩、长石石英砂岩,龙马溪组整体呈现下细上粗的反韵律。罗惹坪组下部为中—厚层石英砂岩、厚层生物碎屑灰岩和少量薄层泥灰岩;中部为厚层—巨厚层砂质页岩、碳质页岩夹数层长石石英砂岩、石英砂岩;上部岩性以中—厚层石英砂岩、粉砂岩和页岩。湘西北志留系下统常与上覆泥盆系中统云台观组或二叠系下统栖霞组含煤段呈假整合接触。整个志留系厚度为1 776
湘中地区(前陆盆地前渊带)也发育下志留统龙马溪组和罗惹坪组,但岩性却与湘西北存在较大差别。湘中溆浦地区龙马溪组下部为厚层—巨厚层长石石英砂岩、石英砂岩;中部为中层—厚层石英砂岩、长石石英砂岩夹砂质页岩;上部为厚层石英砂岩夹砂质页岩。湘中龙马溪组呈现粗—细—粗的复合旋回,与湘西北龙马溪组相比较,湘中地区岩石粒度较粗。湘中炉观和洞口地区龙马溪组与溆浦地区又存在较大差异,以厚层—巨厚层石英杂砂岩夹砂质页岩和碳质页岩为主,但仍然呈现出粗—细—粗的沉积旋回,另外,这种杂砂岩呈现出复理石沉积的特征。湘中志留系与下伏奥陶系整合接触,与上覆中泥盆统跳马涧组或半山组呈角度不整合接触,区内志留系厚度为723
根据岩性、沉积构造和沉积旋回特征分析认为,湘西北志留系龙马溪组发育潮坪相和浅海陆棚相等。潮坪相分布在保靖、温塘和桃园一带,岩性以细砂岩、粉砂岩和页岩为主,砂岩中石英平均含量85%,长石含量10%,泥质含量5%。剖面垂向上呈现下粗上细的正韵律,可见波状和透镜状层理。浅海陆棚相广泛分布在龙山、桑植、石门一带,岩性以页岩、砂质页岩和碳质页岩为主(图 4a),夹数层薄—中层石英砂岩。该页岩富含笔石化石发育,化石完整(图 4b),种类丰富,应为浅海陆棚相沉积。
罗惹坪组可识别出滨岸相、潮坪相、三角洲相、碳酸盐岩台地相和浅海陆棚相等。滨岸相分布在罗惹坪组的下部,平面上分布在龙山、桑植等地区,岩性为薄—中层石英细砂岩和粉砂岩(图 5a)。该砂岩横向分布稳定,砂岩成分和结构成熟度高,砂岩中具平行层理和交错层理。潮坪相分布罗惹坪组上部,平面上分布在桑植、石门、桃园等地区。岩性以石英细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主,垂向上形成下粗上细的正韵律,发育波状层理、透镜状层理(图 5b)和脉状层理等。三角洲相垂向上分布于罗惹坪组上部,平面上分布于龙山、温塘等地区,岩性以长石石英砂岩、石英砂岩、泥质粉砂岩和页岩为主(图 5c)。碳酸盐岩台地相分布在罗惹坪组下部,平面上分布在龙山和保靖等地。岩性为生物灰岩(图 5d)和泥晶灰岩,其中,生物灰岩中混积石英颗粒,石英平均含量为13%。泥晶灰岩仅分布在保靖地区,易风化,不含化石,应为局限台地相沉积。浅海陆棚相分布在罗惹坪组中部,平面上广泛分布于湘西北的大部地区,是罗惹坪组主要的沉积相类型,岩性以页岩、砂质页岩和碳质页岩为主,页理发育,页岩中夹有薄—中层状石英砂岩。
湘中地区志留系露头剖面较少,露头较好的剖面分布在溆浦、新化炉观以及洞口等地。湘中志留系也发育龙马溪组和罗惹坪组,但岩性与湘西北相比较差异较大。根据岩性、沉积构造和垂向上粒度,湘中志留系可识别出滨岸相、浊积扇以及浅海陆棚相等。滨岸相在龙马溪组和罗惹坪组均有发育,但平面上仅分布在溆浦地区。滨岸相以厚层—巨厚层石英砂岩和长石石英砂岩为主,夹有页岩和砂质页岩等。砂岩的成熟度高,具平行层理。浊积扇在龙马溪组和罗惹坪组均有发育,平面上分布在新化炉观和邵阳洞口等地,以厚层—巨厚层石英杂砂岩和长石石英杂砂岩为主,夹有砂质页岩和碳质页岩等,岩层底面常见槽模(图 6a)和鲍马序列(图 6b)。偏光镜下可见棱角状、分选性较差的杂砂岩(图 6c)以及杂砂岩对泥页岩的侵蚀(图 6d)。
以龙山比洞、新华温塘、桃园茅草坪和溆浦横溪剖面对比为例(图 7)。该对比剖面中,龙马溪组可识别出3种沉积相类型:潮坪相、浅海陆棚相和浊积扇相。潮坪相分布在新化温塘和桃园茅草坪等剖面,浅海陆棚相分布在龙山比洞和新化温塘等剖面,而浊积扇相分布在溆浦横溪剖面。纵向上,潮坪相分布在龙马溪组的下部和上部,而浅海陆棚相分布在龙马溪组的中部等。横溪剖面龙马溪组下部和上部均为浊积扇相,而中部则为浅海陆棚相,因此,通过该对比剖面分析可知,龙马溪组沉积期海平面呈现先升后降的规律。罗惹坪组可识别出滨岸相、碳酸盐岩台地相、潮坪相、三角洲相、浅海陆棚相和浊积扇相等。滨岸相在龙山比洞、新华温塘和桃园茅草坪3个剖面中均有发育,潮坪相分布在新化温塘和桃园茅草坪剖面,而三角洲相仅分布在龙山比洞和新化温塘剖面,浅海陆棚相仅分布在龙山比洞剖面,浊积扇相仅分布在横溪剖面。纵向上,滨岸相和碳酸盐岩台地相分布在罗惹坪组的下部,是低海平面期的沉积,浅海陆棚相分布在罗惹坪组中部,是海平面上升期主要的沉积相类型,而三角洲相和潮坪相分布在罗惹坪组的中上部,是海平面下降期主要的沉积相类型。横溪剖面中浊积扇相分布在剖面的下部和上部,中部为浅海陆棚相,因此,罗惹坪期海平面也呈现出先升后降的变化规律。
进入志留纪,在加里东运动作用下,华夏陆块向扬子陆块俯冲,并持续不断向北西向挤压,造成奥陶纪末期形成的雪峰山水下低凸起抬升,形成水上隆起。由于华夏陆块的推覆和逆冲作用,使雪峰山东西两侧形成华夏—扬子地块前陆盆地系统。前渊带位于雪峰山东侧,而隆后盆地位于雪峰山西侧,雪峰山隆起成为其东、西两侧盆地的重要物源区。
龙马溪早期,位于雪峰山西侧的隆后盆沉积相类型包括潮坪相和浅海陆棚相。潮坪相位于隆后盆地的东部边缘,物源来自雪峰山隆起带;浅海陆棚相位于湘西北比洞、淋溪河和磺厂等地(图 8)。由雪峰山西部边缘的潮坪相过渡到湘西北的浅海陆棚相,表明龙马溪早期隆后盆地古地貌由东向西逐渐降低的。前陆盆地前渊带沉积相类型包括滨浅海相和浊积盆地相,滨浅海相分布在雪峰山东侧安化—益阳一线以及湘中城步—邵阳—双峰一线。浊积盆地相分布在洞口、溆浦和新化一带,发育厚层石英杂砂岩,为滨浅海相呈西南开口的带状环绕在浊积盆地周缘。
龙马溪晚期雪峰山西侧的隆后盆地以潮坪相和浅海陆棚相为主(图 9),其中,潮坪相分布在隆后盆地的东侧,紧邻雪峰山隆起,而浅海陆棚相分布在湘西北龙山附近。与龙马溪早期沉积相分布特征相比较,晚期潮坪相分布面积更加广泛,而浅海陆棚相仅分布在湘西北的局限范围内。前陆盆地前渊带沉积相类型仍以滨前海和浊积盆地为主,其中,滨前海分布在溆浦—安华—邵阳一带,而浊积盆地分布在洞口—新化一带,但是与龙马溪早期相比较,该期沉积相分布面积较小。
罗惹坪期前陆盆地系统特征仍然清晰。前陆盆地隆后盆地仍然位于雪峰山西北侧,该盆地沉积相类型包括潮坪相、三角洲相和浅海陆棚相等(图 10)。潮坪相以砂岩、泥岩、页岩为特征,广泛分布在隆后盆地的东侧磺厂、淋溪河、慈利和茅草铺等地。三角洲相以长石石英砂岩和泥岩互层为主,主要分布在龙山、比洞、温塘和永顺等地,三角洲的物源来自雪峰山隆起。浅海陆棚相分布在湘西北的西部,以巨厚页岩夹薄层状砂岩为特征。前陆盆地前渊带位于雪峰山隆起东侧,沉积相类型包括滨岸相和浊积盆地相等,滨岸相分布在溆浦、安化和新化一线,浊积盆地相分布在洞口和城步一线。
龙马溪相分布特征分析表明,龙马溪期海平面变化具有规律性,自下而上,海平面先上升后下降,并且晚期的海平面下降幅度更大。这主要表现为:与龙马溪组沉积早期相比较,晚期隆后盆地潮坪相明显向盆地方向推进,浅海陆棚相的分布范围变小,并向西北方向退缩。前渊带龙马溪组也表现出相同的海平面变化规律,沉积晚期滨浅海相和浊积盆地相的范围明显变小。龙马溪组早期沉积相这种海平面变化规律与前人通过古生物研究海平面变化的结果一致[19]。罗惹坪组海平面变化与龙马溪组相似,海平面也表现为先上升后下降。罗惹坪早期海平面较低,隆后盆地沉积相类型以滨岸相、碳酸盐岩混积台地相和潮坪相为主,前渊带以滨前海和浊积扇相为主;中期海平面上升,隆后盆地以浅海陆棚相为主,潮坪相仅分布在靠近雪峰山隆起的部分区域,而前渊带以浅海陆棚相为主;晚期海平面下降,隆后盆地以三角洲相、潮坪相和碳酸盐岩台地相为主,前渊带则以浊积扇相为主。虽然前陆盆地前渊带和隆后盆地沉积相类型各异,但其海平面变化规律却相似,且具有可对比性,因此,前渊带和隆后盆地的西南部可能是连通的,即雪峰山隆起对前渊带和隆后盆地的遮挡是有限的。
4 前陆盆地页岩特征重庆焦石坝志留系龙马溪组在页岩气勘探方面取得了重大突破[20-21],但这是否预示着与焦石坝相邻的研究区在龙马溪组页岩气方面也具有一定的勘探价值呢?虽然焦石坝和湘西北同属于隆后盆地,但是在页岩气勘探潜力方面却存在较大差异。研究区隆后盆地和前渊带均发育页岩,但多为砂质页岩,富含有机质的碳质页岩较少,且主要分布在隆后盆地的龙马溪组。前渊带页岩多变质形成板岩,且有机质成熟度较高,已不具生烃能力。隆后盆地龙马溪组碳质页岩的生烃潜力基本上代表研究区前陆盆地的勘探潜力,因此,本次研究重点分析湖南地区隆后盆地龙马溪组页岩气勘探潜力。
湖南地区龙马溪组黑色碳质页岩广泛分布在龙马溪组中、下部,以深灰色、灰黑色、黑色富含笔石的碳质页岩和砂质页岩为主;上部地层砂质含量迅速增大,以砂质页岩和粉砂岩为主。X衍射分析表明,龙马溪组中、下部黑色碳质页岩中黏土矿物含量在18.0%
页岩岩性、厚度、残余有机碳含量、成熟度平面分布均具有一定的规律性。有效的黑色碳质页岩均分布在距雪峰山隆起较远的湘西北地区,尤其是龙山比洞—田家坪—淋溪河一线以西的区域,该线以东广泛发育砂质页岩、泥质粉砂岩和粉砂岩等。有效黑色碳质页岩厚度平面分布呈现由东向西逐渐增大的趋势,平均厚度为24.0 m,最大厚度位于龙山地区,为57.6 m。龙马溪组干酪根以Ⅱ
同为该前陆盆地系统的隆后盆地,四川盆地东南部的焦石坝龙马溪组页岩特征却与研究区存在较大差异。焦石坝龙马溪组下部碳质页岩有机质类型为Ⅰ型,平均残余有机碳含量值为2.54%[22],因此,焦石坝的烃源岩条件较研究区好。另外,焦石坝页岩
虽然龙马溪组下部岩性与下伏奥陶系五峰组相似,但根据古生物和地球化学资料分析认为,五峰组沉积后曾发生过大规模的构造抬升[23-24],宜昌和黔中地区甚至可见五峰组顶部的不整合面,该沉积间断对应
从古地貌上看,尽管研究区和焦石坝均位于同一前陆盆地系统的隆后盆地区,但是,研究区分布于雪峰山隆起的西北侧,且紧邻雪峰山隆起,属构造高部位;虽然焦石坝也位于雪峰山隆起的西北侧,但距雪峰山隆起较远,属构造低部位。这种古地貌造成了焦石坝等区域广泛发育龙马溪组第一旋回碳质页岩,并向研究区尖灭(图 13);而研究区缺失该第一旋回碳质页岩,仅发育第二旋回,这也是湖南省西部和西北部页岩气勘探的潜力较焦石坝小的主要原因。但雪峰山西北侧仍有一定的页岩气勘探潜力,尤其是龙山、淋溪河和比利等地区仍发育龙马溪组第二旋回底部的富有机质页岩。该页岩不但具有较高的有机碳含量,且脆性矿物含量高,物性好,是较为有利的勘探目的层。
(1) 雪峰山前陆盆地志留系前渊带广泛发育浊积扇,岩性以石英杂砂岩为主,另外,还发育滨岸相和浅海陆棚相等,隆后盆地龙马溪组沉积相以潮坪相和浅海陆棚相为主。
(2) 前渊带罗惹坪组仍然以浊积扇为主,而隆后盆地广泛发育潮坪相、浅海陆棚相等,局部发育三角洲相和滨岸相。虽然前渊带和隆后盆地沉积相类型存在较大差异,但沉积旋回却具有一致性,表明雪峰山东西两侧的盆地是连通的。
(3) 虽然隆后盆地龙马溪组也发育碳质页岩,但其页岩气勘探潜力却与重庆焦石坝存在较大差异,究其原因是研究区缺少龙马溪组第一沉积旋回,而第一旋回是焦石坝页岩气的主力产层。虽然湘西北缺少第一旋回的碳质页岩,但是第二旋回下部仍然发育较为有利的富有机质厚层页岩,是湘西北页岩气勘探的“甜点区”。
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